НЕМЕЦКИЙ ВОПРОС
Всё началось в Потсдаме. Там находится Институт коллоидов и поверхностей Общества Макса Планка. В департаменте биоматериалов одна из научных групп занимается изучением клеточных мембран. Это важно и для фармакологии, и для трансплантологии, и для создания новых биоматериалов. Через мембраны в клетку попадают полезные вещества и задерживаются вредные, причём зачастую клетка к ним относит и лекарственные препараты. Учёные пытаются понять принцип работы мембран, чтобы научиться управлять этими процессами. Руководит группой Эмануэль Шнек.
Перед группой стояла задача: определить наличие и концентрацию лёгких элементов, таких как сера и фосфор, в разных типах биомолекул. Сложность в том, что речь идёт о положении отдельных атомов. Привычная микроскопия здесь бессильна, единственный выход - мощные рентгеновские установки (синхротроны). Но сами по себе они бесполезны: рентгеновские лучи крайне сложно фокусировать, особенно когда речь идёт об объектах толщиной несколько атомов. Нужен альтернативный метод измерения и прибор для него - генератор стоячих волн. Такие генераторы делают всего три производителя в мире: в Голландии, Германии и Японии. Казалось бы, перед немецкими исследователям стояла простая задача – заказать нужный генератор у любой из этих фирм. Однако группа Эмануэля Шнека рискнула и обратилась к малоизвестной лаборатории в России.
КРИСТАЛЛ С СЕКРЕТОМ
Название «генератор» обманчиво. Это не какое-то механическое устройство, а искусственный кристалл. По сути это рентгеновское зеркало, падающие и отражённые от него рентгеновские лучи генерируют стоячую волну – «линейку», с помощью которой можно «измерять» расстояния внутри молекулы и в сочетании с методом рентгеновской флюоресценции одновременно устанавливать химический состав в точках измерения с атомарным разрешением. Такие генераторы создают не путём сборки отдельных деталей, а выращивают слой за слоем в специальной камере. Из чего состоят слои, в какой последовательности наносятся и их толщина – зависит от задач исследователей. Таким образом, производство генераторов стоячих волн сложно не только технологически, но и требует нетривиальных математических расчётов.
Коммерческие компании были готовы разработать новый генератор для группы Эмануэля Шнека, но цена и сроки изготовления не устроили учёных, это ставило под угрозу их эксперимент и грантовые обязательства. В Немецком электронном синхротроне (DESY, Гамбург) коллегам посоветовали обратиться к группе Александра Гойхмана – российским исследователям Центра «Функциональные наноматериалы» из БФУ им. И. Канта, которые уже успели добиться определённых успехов и в работе с рентгеном, и с выращиванием нанокристаллов. Шнек рискнул.
У калининградских исследователей работа заняла всего два месяца. За это время удалось провести расчёты и подобрать материалы для напыления и их пропорцию, чтобы в итоге получить нужную длину волны для обнаружения серы и фосфора. Оказалось, что нужны никель и алюминий, а самое главное – нужен иной инертный газ. «Наращивание кристалла происходит в вакууме с использованием инертного газа, – делится автор разработки Ксения Максимова. – Причём молекулы газа всегда попадаются в кристалл и влияют на его характеристики. Обычно используется аргон, он удобен. Однако оказалось, что генераторы, созданные в аргоне, не позволяют обнаружить серу и фосфор из-за паразитного влияния этого газа. То есть эти элементы невидимы для таких генераторов. Мы решили использовать криптон и ксенон. Они тяжелее аргона, а главное – сам процесс нанесения слоёв сложнее. Но мы справились».
В итоге группа Шнека получила нужный набор генераторов. Дело в том, что для исследования каждой новой молекулы требуется новый генератор. Каждый из них - это пластина 1*1 см. На сапфировую подложку толщиной 300 микрон (0,3 миллиметра) нанесено несколько десятков слоев никеля и алюминия (их суммарная толщина – 120 нанометров, это всего 0,012 миллиметра). Толщина каждого слоя – несколько атомов, не более 30 ангстрем (один ангстрем – это десятимиллионная часть миллиметра). Технологически процесс производства занял 10 часов.
ИГРА С НЕНУЛЕВОЙ СУММОЙ
Сегодня уже можно сказать, что сотрудничество лабораторий в Потсдаме и Калининграде оказалось успешным и взаимовыгодным.
С помощью наноструктурированного генератора стоячих волн из БФУ им. И. Канта немецкие исследователи изучили биомолекулы трёх типов: липиды, сахариды (гликолипид, часто встречаются в мембранах нервных клеток) и белок (альбумин сыворотки крови). Эксперименты проводились во Франции и Германии, на синхротронах в Париже (центр «Soleil»), в Гренобле (Европейский центр синхротронного излучения) и в Гамбурге (Немецкий электронный синхротрон DESY).
Результаты экспериментов опубликованы в престижнейшем научном журнале Национальной академии наук США «PNAS». Уже можно сказать, что они открывают новые возможности для борьбы с дыхательной недостаточностью, а также в изучении реакции клеток на инородное тело. Также нет сомнений, что публикация Шнека и его соавторов не останется незамеченной, последуют цитирование и приглашения на конференции, что в конечном итоге и называется научным авторитетом.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Сегодня в России существует два синхротрона, запланировано строительство и нового, более мощного и современного. В мире в ближайшие 3-4 года будет построен ещё десяток синхротронов. Более того, тестируется технология создания и компактных источников синхротронного излучения. В случае успеха собственные синхротроны смогут позволить себе не только государства, но и многие университеты и научные центры по всему миру. Так что спрос на специальную оптику и генераторы стоячих волн будет только расти. И пока НОЦ «Функциональные наноматериалы» БФУ им. И. Канта под руководством Александра Гойхмана – это единственный в России центр, обладающий опытом производства таких кристаллов. И это обстоятельство вселяет оптимизм.
Источник: https://www.kantiana.ru/news/143/205570/
